传感器网络的节省能量需求而提出的传感器网络MAC协议。S-MAC 协议假设通常情况下传感器网络的数据传输量少，节点协作完成 共同的任务，网络内部能够进行数据的处理和融合以减少数据通 信量，网络能够容忍一定程度的通信延迟。它的主要设计目标是 提供良好的扩展性，减少节点能量的消耗。
（1）周期性侦听和睡眠
RTS/CTS访问机制
（3）退避算法
对于要发送帧的STA而言，当该STA通过物理或虚拟载波机制 发现媒质忙时，或STA被指出发送没有成功时，STA将调用退避算
法。退避算法过程如图5-8所示 。
图5-8退避算法过程
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集中式协调功能(PCF)
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（1）PCF基本访问
（2）无竞争期间的网络分配矢量操作
能的STA称为QSTA (QoS-capable STA)，为其他STA提供集中控制的
QSTA称为混合协调器(HC)，HC通常由AP担任，此AP也称为QAP。EDCF 只在CP阶段使用，HCF在CP和CFP阶段都可以使用，因而是一种混合协
调功能。
4.7.3基于竞争的MAC协议
1. S-MAC协议
S-MAC (sensor MAC)协议是在802.11 MAC协议基础上，针对
IEEE 802.11协议族标准采用CSMA/CA机制，该机制可以利 用握手的方式来解决隐藏终端的问题 。
802.11协议族规定了两种不同的MAC层访问机制，一种是分布式 协调功能(Distributed Coordination Function，DCF)，用来传输异 步数据，同时也是支持PCF机制的基础。另一种访问机制称为点协调功 能(Point Coordination Function，PCF)，是可选的，它只可用于基 本网络配置的拓扑结构。两种工作模式关系如图5-4所示。
4.7 MAC协议
4.7.1 MAC协议的分类
针对不同的传感器网络应用，研究人员从不同方面提出了多个MAC 协议，一般可以按照下列几种方式进行分类。 1．信道数---单信道、双信道的MAC协议; 2．信道分配方式---基于TDMA的时分复用固定式、基于CSMA的随机竞 争式和混合式3种 ; 3．节点的工作方式---侦听、唤醒和调度3种 ; 4．控制方式---分布式执行的协议和集中控制的协议 。
4.6应用层协议
传感器管理协议 任务分派和数据广播协议 传感器查询与数据分发协议
4.6.1 传感器管理协议
• 系 统 管 理 通 过 采 用 传 感 器 管 理 协 议 (SMP ， Sensor Management Protocol) 与无线传感网络进行交互。无线传感网络与其他很多网 络不同，节点没有全局 ID （局域 ID ？) ，而且一般缺少基础设施。
如果在这些条件之外，当STA处于无竞争期以外发起一系列
帧交换的时候，发现媒介处于忙状态，则STA随后将调用随机退 避算法。
图5-5
DCF基本访问模式
（2）RTS/CTS访问机制
在无线局域网中，经常会出现隐蔽终端的问题，如图5-6所 示。为了解决这种隐蔽终端问题，DCF可利用RTS和CTS两个控制
.1 Event-to-Sink传输
• 无线传感网络传输层的Event-to-Sink可靠度是必要的，包括了事件特 征到Sink节点的可靠通信，而不是针对区域内各节点生成的单个传感报 告/数据包进行基于数据包的可靠传递。图3-6说明了以收集事件到Sink 节点数据流的识别符为基础的Event-to-Sink可靠传输概念。（智能家 居例外）
更多的约束。
• 无线传感网络与其他常规网络模式不同，需要根据特定传感应用目标进 行布置，应用范围十分广泛。无线传感网络这些特定目标也影响了传输 层协议的设计需要。例如，根据不同应用布置的无线传感网络可能需要 不同的可靠度等级和常规控制方式。传输层协议的设计原理主要由无线 传感节点的约束和特定应用决定。
第6次课 WSN通信与组网技术(2) 学习目标(了解为主)
◆了解网络层协议 ◆了解Event-to-Sink传输 ◆了解Sink-to-Sensor传输 ◆了解传感器管理协议 ◆了解任务分派和数据广播协议 ◆了解MAC协议分类 ◆了解IEEE802.11协议 ◆了解基于竞争的MAC协议 ◆了解基于时分复用的MAC协议
4.6.2任务分派与数据广播协议
• 无线传感网络的另一个重要操作是“兴趣”分发。用户向无线传感节点、
节点的子集或整个网络发送其“兴趣”内容。此“兴趣”内容可与观察
对象的某种属性相关，或者与一个触发事件相关。另一种方式是对可用 数据进行广播。无线传感节点将可用数据广播给用户，而用户查询其感 兴趣的数据。应用层协议为用户软件提供了“兴趣”分发的有效接口的， 对较低层操作(例如路由)十分有用。
节点需要完成的工作量最小化。
4.5.2 Sink-to-Sensors传输
• 可操作二进制码和特定应用查询与命令的Sink-to-Sensors传输需
要更高的可靠度，这种要求包括了一定等级的重新传送和确认机制。
返回路径上的Sink-to-Sensors数据传输主要由Sink节点发起，因 此具有足够能量和通信资源的Sink节点可使用大功率天线广播数据。 这有助于减少多跳无线传感网络基础设施传送的数据量，从而节省 节点能量。
图5-10 协议的虚拟簇
（2）流量自适应侦听机制 （3）串音避免
（4） 消息传递
图5-11 S-MAC与IEEE 802.11 MAC协议的突发分组传送
2. T-MAC协议
（1） 基本工作原理
T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动 态地调整活动时间，用突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。 如图5-12(b)所示，T-MAC协议相对S-MAC协议减少了处于活动状 态的时间。
4.6.3传感器查询与数据分发协议
• 传感器查询和数据分发协议(SQDDP，Sensor Query and Data
Dissemination Protocol)为用户应用提供了问题查询、查询响应和搜
集答复的接口。这些查询一般不向特定节点发送，而是采用了基于属性 或位置的命名。 • 传感器查询和任务语言(SQTL，Sensor Query and Tasking Language) 提供了更多服务种类。
因此， SMP 需要采用基于属性的命名和基于位置的选址对节点进行
访问。
4.6.1传感器管理协议
SMP是提供软件操作的管理协议，这些软件操作是以下管理任务所必需的： ①将与数据聚集、基于属性的命名和聚类相关的规则引入无线传感节点； ②交换与位置搜寻相关的数据； ③无线传感节点的时钟同步； ④移动无线传感节点； ⑤打开和关闭无线传感节点； ⑥查询无线传感网络设置和节点状态，重新设置无线传感网络； ⑦认证、密码分配与数据通信安全。
4.7.2 IEEE 802.11协议(简述了解)
1. IEEE 802.11网络拓扑结构
（1） Ad Hoc网络形式
（2）基础结构网络形式
（3） 扩展服务集结构形式
2 IEEE 802. 11 协议MAC层的工作模式
载波监听多点接入CSMA(Carrier Sense Multiple Access)称为载波侦听 多点访问协议。 CSMA协议内容： (1)1-坚持CSMA； (2)非坚持CSMA； (3)P-坚持CSMA； (4)CSMA/CD(CSMA/Collision Detect)； (5)CSMA/CA(CSMA/Collision Avoidance)。
无线传感器网络协议的分层结构
4.5 传输层协议
一般而言，传输层的主要目标是：
•
•
①采用多路技术和分离技术作为应用层和网络层的桥梁；
②根据应用层的特定可靠度需求在源节点和汇节点间提供带有误差控制 机制的数据传递服务；
•
③通过流动和拥塞机制调节注入网络的信息量。
4.5 传输层协议
• 无线传感节点的能量、处理能力和硬件的限制对设计传输层协议带来了
（2）早睡问题
图5-4 IEEE 802.11两种工作模式
3 分布式协调功能(DCF) （1）基本访问
（阅读--跳P30）
基本访问被视为STA(站点)用于决定是否可以发送的核心机
制。通常，一个STA在满足下列条件之一时，就可以发送一个 MPDU(MAC Protocol Data Unit) ： ① 该STA在没有PC的情况下，按照DCF访问方式工作； ②该STA处在PCF访问的竞争期间； ③该STA确定当媒介的空闲时间大于或等于一个DIFS； ④当STA上次收到一个没有正确FCS帧后，STA确定媒介空闲时间 大于或等于一个DIFS。
3.5.1 Event-to-Sink传输
• 为了在Sink节点提供可靠事件探测，传输层还需要解决前向路径上可能 的拥塞。一旦事件被观察对象覆盖区域(即事件半径范围)内一定数量的 无线传感节点感知，这些节点将生成大量的数据，这很容易造成前向路 径上的拥塞。过度的网络能力对Sink节点的有效输出是有害的，需要在 传输层进行拥塞控制来确保在Sink节点处可靠的事件探测。尽管网络拥 塞时数据包丢失(由相关数据流造成)情况可以体现Event-to-Sink可靠 度，但在保证Sink节点所需精度等级的同时，合理的拥塞控制机制有助 于节省能量。
4.5.1 Event-to-Sink传输
• 与常规End-to-End可靠度传输层协议不同，事件到中心节点可靠传输 (ESRT，Event-to-Sink Reliable Transport)协议以Event-to-Sink可 靠度概念为基础，提供了不需要任何中介存储的可靠事件探测。ESRT是 一种新的数据解决方案，其目的是在无线传感网络中用最少的能量花费 完成可靠事件探测。其中包括拥塞控制部分，可实现可靠和节能的双重 目标。同时，ESRT不需要各个传感器的标识符，仅需要事件ID。十分重 要的一点是，ESRT算法主要在Sink节点上运行，使资源有限的无线传感